Byggnader använder 40 procent av USA:s primärenergi och 75 procent av dess el, som kan hoppa till 80 procent när en majoritet av befolkningen är hemma med värme- eller kylsystem och årstiderna når sina ytterligheter.

US Department of Energy's (DOE) s Building Technologies Office (BTO), ett av åtta teknikkontor inom DOE:s kontor för energieffektivitet och förnybar energi, syftar till att minska energiförbrukningen per kvadratmeter amerikanska byggnader med 30 procent från 2010 till 2030 - en massiv utmaning med tanke på att Amerika är hem för 124 miljoner byggnadsstrukturer.

På samma gång, DOE:s kontor för el (OE) stöder forskning för en mer effektiv, säkra, och modernt elnät, inklusive forskning om sätt att kontrollera elefterfrågan för att hålla nätet balanserat och mer motståndskraftigt mot störningar.

Byggnadsenergimodellering - datasimulering av byggnadens energianvändning med tanke på en beskrivning av byggnaden, dess system, använda mönster, och rådande väderförhållanden-är ett analysverktyg som kan användas för att identifiera kostnadseffektiva energieffektivitetsmöjligheter i befintliga och nya byggnader. I dag, att samla in och organisera de data som krävs för att sätta ihop en energimodell är i stort sett manuella processer. Som ett resultat, modellering används endast i en bråkdel av nybyggnads- och eftermonteringsprojekt.

Ett team som leds av forskning och utveckling senior personal Joshua New vid DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) vill förändra det, och specifikt för att göra det möjligt att kostnadseffektivt skapa en byggnadsenergimodell för varje byggnad i Amerika. ORNL-tillvägagångssättet bygger på automatisk utvinning av byggnadsparametrar på hög nivå som golvyta och orientering från allmänt tillgängliga datakällor som satellitbilder och automatiserad kalibrering-användning av flera simuleringar för att hitta kombinationen av okända byggparametrar som närmast matchar uppmätt energi använda sig av. För att demonstrera deras tillvägagångssätt, laget använde nyligen Oak Ridge Leadership Computing Facilitys (OLCF:s) Cray XK7 Titan superdator för att modellera varje byggnad som servas av Electric Power Board (EPB) i Chattanooga - alla 178, 368 av dem-och upptäckte genom mer än 2 miljoner simuleringar att EPB potentiellt kan spara 11–35 miljoner dollar per år genom att justera elanvändningen under kritiska tider.

"Denna typ av modellering är verkligen nästa intelligensnivå inom energibesparande politik och teknik, "Nytt sagt.

I EPB -projektet finansieras av både BTO och OE, modellerna kan användas för att föreslå eftermontering eller andra lösningar för att spara energi, vilket hjälper till att sänka elbehovet under högsta kritiska timmar och bättre balansera elnätsverksamheten. Simuleringarna kan också indikera var EPB kan överväga att lägga till distribuerade energiresurser som kallas mikronät - lokalt lokaliserad kraftproduktion som sol, tillsammans med energilagring - för att ytterligare förbättra nätets motståndskraft.

New och hans kollegor tänker göra modellerna öppet tillgängliga för att minska energin, efterfrågan, utsläpp, och kostnader för USA:s hem och företag.

Superdatorer för energilösningar

EPB:s 9, 000-mils fiberoptiskt nätverk fungerar som ryggraden för sitt Smart Grid, ett av landets mest avancerade elektriska distributionssystem. EPB registrerar verktygsdata var 15:e minut för varje byggnad i sitt serviceterritorium. EPB-ORNL-partnerskapet gör det möjligt för ORNL-forskare att snabbt och exakt jämföra och validera byggmodeller med denna verkliga data. Simuleringarna hjälper också ORNL att förbättra EnergyPlus, DOE:s flaggskepps helbyggande simuleringsprodukt, i samarbete med andra nationella laboratorier och olika entreprenörer.

Det senaste projektet utvecklades av EPB:s iver att förstå energianvändningen och efterfrågan på byggnaderna på dess territorium.

"EPB ville se hur mycket pengar de kunde spara sina kunder genom att vidta åtgärder för att sänka energibehovet under högsta kritiska timmar, "Nytt sagt.

Byta till naturgas, täta byggnader ordentligt, föra upp isoleringsnivåer till kod, och att använda smarta termostater för att förvärma eller förkyla hem är några sätt att sänka energibehovet under maximal användningstid. Kvantifiera energibesparingarna per byggnad och skala upp till nästan 179, 000 byggnader, dock, är en utmaning som kräver högpresterande datorresurser som de på OLCF, en DOE Office of Science User Facility som ligger på ORNL.

"EPB har 178, 368 byggnader, och varje byggnadsmodell kräver cirka 3, 000 ingångar, "Nytt sagt." Om vi ​​ville inkludera ett 15-minuters belysningsschema, vi skulle ha 35, 040 -nummer bara för att berätta om lamporna är på eller av - och det är bara en ingång. "

Vid dessa siffror, att simulera en byggnad på en stationär dator tar mellan 2 och 10 minuter. Att simulera flera scenarier för hundratusentals byggnader kräver en superdator.

ORNL -teamet tjänade tid på den nyligen avvecklade Titan -superdatorn genom OLCF:s Director's Discretionary allocation program och körde simuleringar av alla byggnader på EPB:s territorium. Teamet körde nio olika monetariseringsscenarier, med varje uppsättning simuleringar som varar 6,5 timmar på Titan, att analysera vilka byggvariabler som påverkar elektrisk användning och därmed kostnad för EPB. Teamet ville veta vad som skulle hända om infiltration, belysning, eller isolering uppgraderades för varje byggnad.

Genom att jämföra resultaten med 15-minuters verktygsdata, laget verifierade noggrannheten i mätningarna av energibesparad och förbrukad energi.

"Vi skapar inte bara dessa modeller och gör vad-om-analyser i blinda, "Ny sa." Vi har en felprocent för varje byggnad på hur nära vi matchar den 15-minuters energianvändningen. "

Bättre för företag

År 2020 planerar EPB att installera smarta termostater i cirka 200 byggnader för att validera teamets simuleringsuppskattningar. En strategi som måste valideras, New sa, är användningen av byggnader som "termiska batterier".

"När du pumpar in energi i en byggnad, du kan ta dig igenom den kritiska timmen istället för att slå på din luftkonditionering under de kritiska tiderna, "Nytt sagt." Det sänker efterfrågan avsevärt och kan hindra ett elföretag från att behöva bygga en ny mångmiljonstation. "

Att sänka energianvändningen och efterfrågan är ett viktigt mål för forskarna och för verktyg. Termostatinstallationen kan vara det första steget till en fullständig programutrullning, Nytt sagt.

"Vid slutet av dagen, företag vill att energi ska vara en ekonomisk produktivitetsfaktor, "Nytt sagt." Våra modeller hjälper dem att uppnå det målet. "